सेमीकंडक्टर के अग्रदूत चिह-तांग साह की अस्थियां चीन लाई गईं

आधुनिक चिपों को आकार देने वाले वैज्ञानिक की अंतिम घर-वापसी

आधुनिक सेमीकंडक्टर युग के अग्रदूत चिह-तांग साह की अस्थियां दफनाने के लिए अमेरिका से दक्षिण-पूर्वी चीन के फुजियान लाई गई हैं। साह की वैज्ञानिक विरासत लगभग हर चिप-युक्त उपकरण में मौजूद है—जेब में रखे फोन से लेकर विमानों को दिशा देने वाले कंप्यूटरों और कृत्रिम बुद्धिमत्ता को प्रशिक्षित करने वाले एक्सेलरेटरों तक। 1963 में फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर में अपने सहयोगी फ्रैंक वानलास के साथ काम करते हुए साह ने कॉम्प्लिमेंटरी मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर लॉजिक की सह-परिकल्पना की, जिसे CMOS के नाम से जाना जाता है। विचार अवधारणा में सरल, लेकिन प्रभाव में गहरा था। इसने कम बिजली खपत वाले व्यावहारिक इंटीग्रेटेड सर्किटों और आज के चिप उद्योग के विशाल विस्तार का रास्ता खोला। यूनिवर्सिटी ऑफ टोरंटो के सोरिन वोइनिगेस्कू की पुस्तक हाई-फ्रीक्वेंसी इंटीग्रेटेड सर्किट्स के अनुसार, 2011 तक लगभग 99 प्रतिशत सेमीकंडक्टर इंटीग्रेटेड सर्किट CMOS तकनीक से बनाए जाते थे।

साह का जन्म बीजिंग में हुआ था और 5 जुलाई को 92 वर्ष की आयु में उनका निधन हो गया। वह शियामेन विश्वविद्यालय में मानद प्रोफेसर थे। विश्वविद्यालय ने उनके निधन और अकादमिक समुदाय से उनके लंबे जुड़ाव को याद किया। उनकी अस्थियों की पैतृक प्रांत में वापसी उस विज्ञान पर विचार करने का अवसर है, जो चुपचाप रोजमर्रा के जीवन और वैश्विक अर्थव्यवस्था को शक्ति देता है; साथ ही ऐसे करियर को याद करने का भी, जिसने प्रयोगशालाओं, व्याख्यान कक्षों और आधुनिक सूचना युग के केंद्र को जोड़ा।

चिह तांग साह कौन थे

चिह-तांग साह उस पीढ़ी का हिस्सा थे जिसने सूचना युग की नींव रखी। 1932 में चीन में जन्मे और प्रतिष्ठित फुझोउ साह परिवार में पले-बढ़े साह ने अमेरिका में इंजीनियरिंग की पढ़ाई की। उन्होंने यूनिवर्सिटी ऑफ इलिनॉय से दो स्नातक डिग्रियां हासिल कीं और फिर स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय से मास्टर डिग्री और डॉक्टरेट पूरी की। इस शिक्षा ने उन्हें शुरुआती सॉलिड-स्टेट अनुसंधान के केंद्र में ला खड़ा किया, ठीक उस समय जब सिलिकॉन उपकरण भौतिकी के शोधपत्रों से निकलकर कारखानों तक पहुंच रहे थे।

शिक्षा और शुरुआती करियर

1956 में साह ने सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में उद्योग में कदम रखा और जल्द ही फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर से जुड़ गए। वहीं उन्होंने और फ्रैंक वानलास ने 1963 में CMOS की अवधारणा प्रस्तुत की। दो तरह के ट्रांजिस्टरों को साथ रखने से—एक जो इनपुट उच्च होने पर विद्युत प्रवाह करता है और दूसरा जो इनपुट निम्न होने पर प्रवाह करता है—ऐसा लॉजिक बना जो निष्क्रिय अवस्था में बहुत कम बिजली लेता था और चिपों की जटिलता बढ़ने पर भी प्रभावी ढंग से विस्तार कर सकता था। बाद में साह यूनिवर्सिटी ऑफ इलिनॉय में प्रोफेसर बने और 1962 से 1988 तक वहां पढ़ाया। इसके बाद उन्होंने यूनिवर्सिटी ऑफ फ्लोरिडा में काम जारी रखा। अपने अकादमिक करियर में उन्होंने करीब 280 शोधपत्र प्रकाशित किए, डॉक्टरेट के विद्यार्थियों का मार्गदर्शन किया और CMOS डिजाइन तथा निर्माण की बुनियाद बनने वाले उपकरण-भौतिकी के ज्ञान को आगे बढ़ाया। सिद्धांत, उपकरण और प्रणालियों को जोड़ने वाले योगदानों के लिए उन्हें उद्योग और शिक्षा जगत में मान्यता मिली।

यूनिवर्सिटी ऑफ इलिनॉय की होलोन्यक माइक्रो एंड नैनोटेक्नोलॉजी लैब साह को उन अन्य दिग्गजों के साथ रखती है, जिन्होंने परिसर में सेमीकंडक्टर अनुसंधान की विरासत को आकार दिया। लैब का इतिहास ट्रांजिस्टर युग से आधुनिक इंटीग्रेटेड सर्किट तक की निरंतर कड़ी बताता है, जिसमें साह भी शामिल हैं। लैब का ऐतिहासिक विवरण होलोन्यक माइक्रो एंड नैनोटेक्नोलॉजी लैब की वेबसाइट पर उपलब्ध है।

लैब के शोधकर्ता उस ऐतिहासिक सेमीकंडक्टर विरासत का हिस्सा हैं, जिसकी शुरुआत इंजीनियरिंग के दिग्गज जॉन बार्डीन, निक होलोन्यक जूनियर और चिह-तांग साह से हुई थी। उनके अभूतपूर्व काम ने आज की सूचना प्रौद्योगिकी क्रांति को शुरू करने और आगे बढ़ाने में मदद की।

CMOS ने सब कुछ कैसे बदल दिया

कॉम्प्लिमेंटरी मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर का संक्षिप्त रूप CMOS, अधिकांश चिपों के पीछे काम करने वाली प्रमुख तकनीक है। इसके केंद्र में मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर, यानी MOSFET, की पूरक जोड़ियां होती हैं। एक प्रकार का ट्रांजिस्टर, जिसे p-टाइप कहा जाता है, इनपुट निम्न होने पर विद्युत प्रवाह करना पसंद करता है। दूसरा, जिसे n-टाइप कहते हैं, इनपुट उच्च होने पर प्रवाह करना पसंद करता है। हर लॉजिक गेट में इन्हें जोड़ी के रूप में लगाने से इंजीनियरों ने ऐसे सर्किट बनाए जिनकी स्थिर अवस्था में बिजली की खपत बहुत कम थी और जो विद्युत शोर का अच्छी तरह प्रतिरोध करते थे। उल्लेखनीय विद्युत प्रवाह केवल सर्किट के स्विच होने पर होता है, जिससे निष्क्रिय अवस्था में कम गर्मी पैदा होती है और ऊर्जा दक्षता बेहतर रहती है।

CMOS कम बिजली क्यों इस्तेमाल करता है

सबसे सरल लॉजिक तत्व, इन्वर्टर, पर विचार करें। CMOS इन्वर्टर में इनपुट निम्न होने पर p-टाइप ट्रांजिस्टर चालू होता है और n-टाइप बंद रहता है। इनपुट उच्च होने पर n-टाइप चालू होता है और p-टाइप बंद। किसी भी वैध लॉजिक स्तर पर एक उपकरण बंद रहता है, जिससे लगातार बहने वाली विद्युत धारा सीमित हो जाती है। बिजली मुख्य रूप से स्विचिंग के दौरान छोटी धारिताओं को चार्ज और डिस्चार्ज करने में खर्च होती है। इसी विशेषता से पोर्टेबल उपकरणों में लंबी बैटरी अवधि, चिपों पर अधिक सर्किट समेटने की क्षमता और बिजली की खपत में उसी अनुपात से वृद्धि किए बिना जटिलता बढ़ाते रहने का रास्ता मिला।

CMOS को 1963 में फेयरचाइल्ड में पेश किया गया और 1960 के दशक के आखिर में RCA द्वारा पहले CMOS इंटीग्रेटेड सर्किट बनाए जाने के बाद इसे व्यावसायिक गति मिली। 1980 के दशक तक यह लॉजिक की अन्य किस्मों से आगे निकल गया था। आज CMOS माइक्रोप्रोसेसरों, माइक्रोकंट्रोलरों, स्टैटिक RAM, इमेज सेंसरों और अनगिनत प्रणालियों के कंट्रोल लॉजिक में मौजूद है। ट्रांजिस्टरों का भौतिक आकार बदलने के बावजूद—जहां पुराने समतलीय डिजाइन की जगह FinFET और गेट-ऑल-अराउंड संरचनाएं ले रही हैं—लॉजिक शैली CMOS ही बनी हुई है। कई आधुनिक चिपों में पुर्जों को तीन आयामों में परतों के रूप में जमाया जाता है और उन्नत पैकेजिंग का इस्तेमाल होता है, फिर भी वे उन्हीं पूरक स्विचिंग सिद्धांतों पर निर्भर हैं जिन्हें साह और वानलास ने बढ़ावा दिया था।

फेयरचाइल्ड से कक्षा तक

सिलिकॉन वैली के विकास में फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर की भूमिका असाधारण रूप से बड़ी थी। इसने उन वैज्ञानिकों और इंजीनियरों को एक साथ लाया, जिन्होंने इंटीग्रेटेड सर्किट को शुरुआती बढ़त देने वाली प्रक्रियाएं और उपकरण विकसित किए। इस माहौल में साह उपकरणों के गहन सिद्धांत और विनिर्माण व डिजाइन की व्यावहारिक जरूरतों के बीच काम करते रहे। बाद में यही अनुभव वह कक्षा में लेकर आए।

शिक्षण और मार्गदर्शन

इलिनॉय में साह ने सिलिकॉन उपकरणों और उनके व्यवहार की गहरी समझ विकसित करने में मदद की। इससे ऐसे विद्यार्थियों की नई पीढ़ी तैयार हुई, जिन्होंने आगे चलकर अगली पीढ़ी की चिपों को डिजाइन और निर्मित किया। होलोन्यक माइक्रो एंड नैनोटेक्नोलॉजी लैब, जिसकी जड़ें जॉन बार्डीन और निक होलोन्यक जूनियर जैसी हस्तियों तक जाती हैं, उस बुनियादी काम और मौजूदा प्रगति के बीच जीवंत कड़ी है। लैब अपनी वेबसाइट hmntl.illinois.edu पर इस विरासत का विवरण देती है। अकादमिक शोध और उद्योग के सहयोग ने CMOS को एक विचार से लगभग सर्वव्यापी मंच में बदलने की प्रक्रिया तेज की। जर्नल मटेरियल्स में प्रकाशित हालिया विश्लेषण के अनुसार, CMOS डिजिटल प्रणालियों का प्रमुख आधार बना हुआ है, जबकि एनालॉग, मेमोरी और न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग के लिए नई सामग्रियों और उपकरणों की खोज जारी है—बशर्ते उन्हें CMOS के अनुकूल विनिर्माण में ढाला जा सके। यह नजरिया उस मंच की परिपक्वता और मजबूती को दर्शाता है, जिसे शुरू करने में साह ने मदद की थी।

फोन, विमान और AI एक्सेलरेटरों में दिखती विरासत

साह के प्रभाव के प्रमाण हर जेब और हर मेज पर मौजूद हैं। सॉफ्टवेयर निर्देशों को चलाने वाला डिजिटल लॉजिक, डेटा सहेजने वाली मेमोरी एरे, तस्वीरें लेने वाले सेंसर और उपकरणों को जोड़ने वाले रेडियो—सभी CMOS तकनीकों पर निर्भर हैं। विमानों के फ्लाइट कंप्यूटर से लेकर कारों और अंतरिक्षयानों के कंट्रोल सिस्टम तक, डिजाइनर ऊर्जा दक्षता, विश्वसनीयता और विस्तार की क्षमता के लिए CMOS चुनते हैं।

CMOS पर बनी रोजमर्रा की तकनीक

क्लाउड सेवाओं और कृत्रिम बुद्धिमत्ता को शक्ति देने वाली चिपें भी CMOS से ही बनती हैं। Nvidia का H200 एक्सेलरेटर, इस श्रेणी के सबसे चर्चित उत्पादों में से एक, उन्नत CMOS प्रोसेस तकनीक से बनाया गया है। ऐसे उच्च प्रदर्शन वाले चिपों के निर्यात पर नियंत्रण अमेरिका और चीन के बीच तनाव का मुद्दा बन गया है। भू-राजनीतिक समीकरण जटिल हैं, लेकिन वैज्ञानिक आधार सरल है। बिजली की खपत घटाने और अधिक सर्किट समेटने वाला पूरक स्विचिंग सिद्धांत—CMOS का सार—इन तमाम उपलब्धियों को जोड़ता है।

आज चीन में यह घर-वापसी क्यों मायने रखती है

साह की अस्थियों को फुजियान लौटाना सांस्कृतिक और वैज्ञानिक, दोनों तरह का प्रतीकात्मक महत्व रखता है। वह शियामेन विश्वविद्यालय में मानद प्रोफेसर थे। बीजिंग से वैश्विक अनुसंधान प्रयोगशालाओं और कक्षाओं तक का उनका सफर पिछली सदी के चीनी वैज्ञानिक प्रवासी समुदाय की कहानी भी दर्शाता है। चीन सेमीकंडक्टर शिक्षा, शोध और विनिर्माण में बड़े पैमाने पर निवेश कर रहा है। साह द्वारा आगे बढ़ाए गए बुनियादी विचार, जैसे पूरक लॉजिक और उपकरण-भौतिकी पर सटीक नियंत्रण, इन महत्वाकांक्षाओं के केंद्र में हैं।

निर्यात नियंत्रण, आपूर्ति शृंखला में बदलाव और छोटे, तेज तथा अधिक ऊर्जा दक्ष चिप बनाने की होड़ ने सेमीकंडक्टरों को राष्ट्रीय रणनीतियों के केंद्र में ला दिया है। फिर भी CMOS इंजीनियरों की साझा भाषा है। बीजिंग, ताइपे, शिनझू, सियोल, ऑस्टिन या ड्रेसडेन—हर जगह ट्रांजिस्टर के व्यवहार को आधार देने वाले तरीके और मॉडल लगभग एक ही रूप में पढ़ाए और लागू किए जाते हैं। यह साझा आधार साह की विरासत का हिस्सा है और बेहतर प्रदर्शन तथा कम बिजली खपत की दिशा में इंजीनियरों का मार्गदर्शन करता रहेगा।

सरल शब्दों में विज्ञान

MOSFET, जो CMOS के भीतर मौजूद बुनियादी उपकरण है, एक छोटा स्विच है जो विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके धारा को नियंत्रित करता है। किसी सेमीकंडक्टर में बने एक चैनल की कल्पना करें, जिसके दोनों सिरों पर सोर्स और ड्रेन टर्मिनल हों। एक पतली इंसुलेटिंग ऑक्साइड परत चैनल को गेट इलेक्ट्रोड से अलग करती है। गेट पर वोल्टेज लगाने से उपकरण चैनल में आवेश वाहकों को अपनी ओर खींचता या उनसे दूर धकेलता है। वोल्टेज एक निश्चित सीमा से ऊपर होने पर चालक मार्ग बन जाता है और विद्युत धारा बहती है। इससे नीचे होने पर मार्ग बंद हो जाता है और मामूली लीकेज को छोड़कर धारा रुक जाती है।

MOSFET क्या करता है

CMOS लॉजिक में n-टाइप MOSFET इनपुट उच्च होने पर आउटपुट को ग्राउंड की ओर खींचता है, जबकि p-टाइप MOSFET इनपुट निम्न होने पर आउटपुट को सप्लाई की ओर खींचता है। वे एक-दूसरे के विपरीत काम करते हैं, इसलिए स्थिर लॉजिक अवस्था में केवल एक ही चालू होता है। इससे लॉजिक गेटों की स्थिर बिजली खपत लगभग शून्य रहती है और यही एक प्रमुख वजह है कि CMOS डिजिटल सर्किटों की पसंदीदा तकनीक बन गया।

बिजली की खपत और विस्तार

CMOS में बिजली की खपत के दो मुख्य कारण हैं। डायनामिक बिजली खपत स्विचिंग के दौरान धारिताओं को चार्ज और डिस्चार्ज करने से होती है। लीकेज बिजली खपत उन छोटी धाराओं से होती है जो ट्रांजिस्टर बंद होने पर भी बहती हैं; उपकरणों का आकार घटने के साथ यह अधिक अहम हो जाती है। इंजीनियर क्लॉक गेटिंग, डायनामिक वोल्टेज स्केलिंग और सावधानीपूर्वक लेआउट जैसी सर्किट तकनीकों के इस्तेमाल से, और बेहतर उपकरण संरचनाएं अपनाकर, बिजली की खपत घटाते हैं। FinFET और गेट-ऑल-अराउंड ट्रांजिस्टर चैनल पर नियंत्रण बेहतर करते हैं, लीकेज घटाते हैं और आगे आकार घटाना संभव बनाते हैं। विश्वसनीयता भी मायने रखती है। इंजीनियर इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज से बचाने के लिए सुरक्षा संरचनाएं जोड़ते हैं और समय के साथ धातु की लाइनों को कमजोर करने वाले तनाव का भी ध्यान रखते हैं। डिजिटल लॉजिक से आगे, CMOS सटीक एनालॉग कार्यों, इमेज सेंसिंग और 5G के रेडियो सर्किटों को भी सहारा देता है। 6G पर अनुसंधान के साथ-साथ इसका इस्तेमाल जारी है, जिससे साह का प्रभाव इलेक्ट्रॉनिक्स के लगभग हर क्षेत्र तक पहुंचता है।

अंतिम श्रद्धांजलि और दफन की तैयारी

साह की अस्थियों को फुजियान ले जाना उनकी जीवन-कथा को उसके आरंभ तक वापस लाता है। वह वैश्विक पहचान वाले वैज्ञानिक थे, जिनका काम चीन में शुरू हुआ, अमेरिका में विकसित हुआ और फिर विद्यार्थियों, शोधपत्रों और उत्पादों के जरिए महाद्वीपों तक फैला। पैतृक प्रांत में उनका दफन होना उनकी निजी जड़ों के साथ सामूहिक कृतज्ञता को भी स्वीकार करता है। शियामेन विश्वविद्यालय, जहां उन्होंने मानद पद संभाला था, उन संस्थानों में शामिल है जो उनके योगदान को याद करते हैं।

फेयरचाइल्ड की कार्यशालाओं से लेकर दुनिया भर के व्याख्यान कक्षों और क्लीन रूमों तक CMOS का सफर साह के विचारों की पहुंच दिखाता है। जब भी कोई उपकरण तेजी से चालू होता है और कम बिजली खर्च करता है, उसमें उनकी अंतर्दृष्टि की छाप होती है। यह ऐसी विरासत है जो उस सिलिकॉन की तरह स्थायी है जिसे उसने आकार दिया।

मुख्य बातें

• चिह-तांग साह की अस्थियां दफनाने के लिए अमेरिका से फुजियान लाई गईं
• 1963 में फेयरचाइल्ड में साह और फ्रैंक वानलास ने CMOS की सह-परिकल्पना की, जो आधुनिक चिपों की बुनियाद है
• सोरिन वोइनिगेस्कू की पाठ्यपुस्तक के अनुसार, 2011 तक लगभग 99 प्रतिशत इंटीग्रेटेड सर्किट CMOS का इस्तेमाल करते थे
• साह ने यूनिवर्सिटी ऑफ इलिनॉय और यूनिवर्सिटी ऑफ फ्लोरिडा में पढ़ाया, करीब 280 शोधपत्र प्रकाशित किए और डॉक्टरेट के विद्यार्थियों का मार्गदर्शन किया
• CMOS ने फोन, कंप्यूटर, एयरोस्पेस प्रणालियों और Nvidia के H200 जैसे AI एक्सेलरेटरों के लिए ऊर्जा दक्ष लॉजिक संभव बनाया
• उनकी अस्थियों की वापसी चीन के चिप क्षेत्र को आगे बढ़ाने के प्रयासों और उन्नत प्रोसेसरों पर जारी निर्यात नियंत्रणों के बीच हुई है
• साह शियामेन विश्वविद्यालय में मानद प्रोफेसर थे और शिक्षा जगत तथा उद्योग में उन्हें याद किया जाता है
• FinFET और गेट-ऑल-अराउंड जैसी प्रगति चिपों की नई पीढ़ियों में CMOS सिद्धांत को केंद्रीय बनाए हुए है